吳民暉，劉海旺

（1.民航機(jī)場(chǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100011；2.機(jī)場(chǎng)工程安全與長(zhǎng)期性能交通運(yùn)輸行業(yè)野外科學(xué)觀測(cè)研究基地，北京100011；3.福建兆翔機(jī)場(chǎng)建設(shè)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引 言

強(qiáng)夯法是20世紀(jì)60年代末由法國(guó)Menard技術(shù)公司首先創(chuàng)造的，我國(guó)于1978年9月引進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)后，很快推廣到全國(guó)很多地方，并且都取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果[1-2]。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，國(guó)內(nèi)的專家學(xué)者開(kāi)展研究，取得了大量的研究成果。例如水偉厚[3]在通過(guò)高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)和閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了強(qiáng)夯有效加固深度經(jīng)驗(yàn)公式（即“梅納公式”）中的修正系數(shù)α的取值情況，見(jiàn)表1所示。

表1 有效加固深度經(jīng)驗(yàn)公式修正系數(shù)α的取值Table 1 Correction coefficient α in empirical formula of effective reinforcement depth

孫田磊等[4]對(duì)某10 000 kN·m的高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)深層土體水平位移監(jiān)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)夯施工完成后的土體，其最大水平位移出現(xiàn)在地表處，地下卻沒(méi)有明顯變化。宋朝陽(yáng)等[5]運(yùn)用高密度電阻率法以及運(yùn)用數(shù)值模擬和預(yù)埋土壓力盒的方法研究回填地基后發(fā)現(xiàn)，可以利用夯實(shí)后地基電阻率的變化來(lái)判斷地基的夯實(shí)效果，并計(jì)算出有效加固深度。張興元等[6]自行設(shè)計(jì)了室內(nèi)模擬試驗(yàn)裝置，對(duì)低能級(jí)到高能級(jí)的不同強(qiáng)夯試驗(yàn)組進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，低能級(jí)強(qiáng)夯和高能級(jí)強(qiáng)夯試驗(yàn)之間存在著動(dòng)應(yīng)力衰減速度的差別，并且這個(gè)衰減速度還跟擊數(shù)相關(guān)。安春秀等[7]在某碎石土回填強(qiáng)夯工程項(xiàng)目中，利用瑞雷波試驗(yàn)（RWT）、動(dòng)力觸探試驗(yàn)（DPT）和靜力載荷試驗(yàn)（PLT），把瑞利波試驗(yàn)和動(dòng)力觸探試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果用來(lái)驗(yàn)證靜力載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果。韓云山等[8]針對(duì)黃土地基開(kāi)展了強(qiáng)夯模型試驗(yàn)，提出利用夯沉比判定夯擊效能和最佳夯擊次數(shù)。賈敏才等[9]開(kāi)展了強(qiáng)夯模型試驗(yàn)，研究了強(qiáng)夯加固砂性土機(jī)制。

大量研究表明強(qiáng)夯法在我國(guó)取得大量成果并廣泛應(yīng)用[10-12]。但受強(qiáng)夯處理土體類型、地下水位等因素影響，強(qiáng)夯工程理論研究仍落后于實(shí)踐，目前強(qiáng)夯法尚未形成十分完善的理論體系，對(duì)強(qiáng)夯加固機(jī)理尚不清晰，強(qiáng)夯法應(yīng)用于吹填海砂地基的情況較為少見(jiàn)。因此本文基于吹填海砂地基開(kāi)展不同能級(jí)的強(qiáng)夯試驗(yàn)，并通過(guò)多種檢測(cè)手段驗(yàn)證其處理效果。

1 工程概況

吹填海砂地基強(qiáng)夯試驗(yàn)區(qū)位于東南沿海某陸域形成吹填場(chǎng)地，場(chǎng)地毗鄰東海，抗震設(shè)防烈度為7度，場(chǎng)地基本地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜特征周期值Tg為0.45 s，基本地震動(dòng)峰值加速度值為0.15 g，所屬設(shè)計(jì)地震分組為第三組。吹填海砂層厚度11～12 m，根據(jù)吹填砂砂源地調(diào)查研究報(bào)告，其主要物理力學(xué)性質(zhì)如表2所示。

表2 海砂物理力學(xué)性質(zhì)匯總表Table 2 Physical and mechanical properties of sea sand

2 強(qiáng)夯試驗(yàn)方案

強(qiáng)夯試驗(yàn)根據(jù)能級(jí)不同，共分為3個(gè)試驗(yàn)區(qū)（分別為 2 000 kN·m、3 000 kN·m 和 4 000 kN·m），每個(gè)試驗(yàn)區(qū)面積均為2 000 m2。強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3，試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1～2。

圖1 強(qiáng)夯夯點(diǎn)平面示意圖Fig.1 Schematic diagram of dynamic compaction points

表3 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)Table 3 Design parameters of dynamic compaction

強(qiáng)夯收斂采用雙標(biāo)準(zhǔn)控制：?jiǎn)吸c(diǎn)擊數(shù)和最后兩擊夯沉量均不小于設(shè)計(jì)要求。具體要求為單點(diǎn)擊數(shù)≥8擊要求，最后兩擊平均夯沉量≤50 mm。

圖2 強(qiáng)夯試驗(yàn)I-I剖面示意圖Fig.2 I-I section of dynamic compaction

為便于對(duì)比不同能級(jí)強(qiáng)夯處理效果及影響深度，在不同試驗(yàn)區(qū)強(qiáng)夯處理前后全深度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和波速測(cè)試點(diǎn)檢測(cè)。強(qiáng)夯處理后，在吹填海砂地基頂面進(jìn)行載荷試驗(yàn)。

3 強(qiáng)夯加固效果

吹填海砂地基采用強(qiáng)夯能級(jí)為2 000、3 000和4 000 kN·m進(jìn)行處理，點(diǎn)夯兩遍、夯后推平，滿夯（能級(jí)為1 000 kN·m）補(bǔ)強(qiáng)一遍?，F(xiàn)就檢測(cè)和測(cè)量所取得成果敘述如下。

3.1 強(qiáng)夯夯沉量

強(qiáng)夯施工過(guò)程中分別進(jìn)行了原地面高程、第一遍點(diǎn)夯后高程、第二遍點(diǎn)夯后高程和滿夯補(bǔ)強(qiáng)后高程測(cè)量。不同強(qiáng)夯能級(jí)處理后平均夯沉量如表4所示。

表4 平均沉降量匯總表Table 4 Summary of average settlement

表4中夯沉量結(jié)果表明：2 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，平均沉降量為489.73 mm；3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，平均沉降量為492.13 mm；4 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，平均沉降量為495.66 mm。說(shuō)明強(qiáng)夯能級(jí)2 000～4 000 kN·m時(shí)，吹填海砂地基均發(fā)生了明顯的沉降，但是不同強(qiáng)夯能級(jí)處理沉降量差異較小。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果

不同強(qiáng)夯能級(jí)處理前后標(biāo)貫試驗(yàn)曲線（統(tǒng)計(jì)值）對(duì)比如圖3～5所示。

圖3 2 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后標(biāo)貫曲線Fig.3 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (2 000 kN·m)

圖4 3 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后標(biāo)貫曲線Fig.4 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (3 000 kN·m)

圖5 4 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后標(biāo)貫曲線Fig.5 Standard penetration curves before and after dynamic compaction (4 000 kN·m)

圖3～5中標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為2 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)量值為15.83擊，強(qiáng)夯后吹填海砂全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)達(dá)到32.5擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)105%；當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為3 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)量值為16.8擊，強(qiáng)夯后吹填海砂全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)達(dá)到25.9擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)53%；當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為4 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)量值為14.2擊，強(qiáng)夯后吹填海砂全深度標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)達(dá)到32.03擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)122%。說(shuō)明強(qiáng)夯能級(jí)2 000～4 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯能有效提高吹填海砂地基密實(shí)度且強(qiáng)夯能級(jí)越大時(shí)效果越好。

3.3 重型動(dòng)力觸探結(jié)果

不同強(qiáng)夯能級(jí)處理前后重型動(dòng)力觸探檢測(cè)曲線（統(tǒng)計(jì)值）對(duì)比如圖6～8所示。

圖6～8中重探試驗(yàn)結(jié)果表明：受重型動(dòng)力觸探檢測(cè)手段限制，強(qiáng)夯處理后無(wú)法開(kāi)展吹填海砂地基全深度檢測(cè)，強(qiáng)夯能級(jí)為2 000～4 000 kN·m時(shí)，檢測(cè)深度分別為5.8 m、3.4 m和8.3 m。當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為2 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度重探擊數(shù)當(dāng)量值為5.8擊，強(qiáng)夯后5.8 m深度范圍重探擊數(shù)當(dāng)量值為16.6擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)186%；當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為3 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度重探擊數(shù)當(dāng)量值為7.91擊，強(qiáng)夯后3.4 m深度范圍重探擊數(shù)當(dāng)量值為17.3擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)117%；當(dāng)強(qiáng)夯能級(jí)為4 000 kN·m時(shí)，強(qiáng)夯前原地基全深度重探擊數(shù)當(dāng)量值為6.49擊，強(qiáng)夯后8.3 m深度范圍重探擊數(shù)當(dāng)量值為 18.75擊，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)189%，說(shuō)明強(qiáng)夯能有效提高吹填海砂地基密實(shí)度。

圖6 2 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后重探試驗(yàn)曲線Fig.6 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (2 000 kN·m)

圖7 3 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后重探試驗(yàn)曲線Fig.7 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (3 000 kN·m)

圖8 4 000 kN·m強(qiáng)夯處理前后重探試驗(yàn)曲線Fig.8 Heavy dynamic penetration curves before and after dynamic compaction (4 000 kN·m)

3.4 波速結(jié)果

強(qiáng)夯處理前后波速值對(duì)比如表5所示。

表5 吹填地基強(qiáng)夯處理前后波速值對(duì)比表Fig.5 Comparison of wave velocity before and after dynamic compaction of hydraulic filling foundation

表5中波速測(cè)試結(jié)果表明：吹填海砂原地基波速為190～209 m/s，平均值為198 m/s。2 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，吹填海砂地基波速平均值為246 m/s，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)27%；3 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，吹填海砂地基波速平均值為242 m/s，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)27%；4 000 kN·m能級(jí)強(qiáng)夯后，吹填海砂地基波速平均值為244 m/s，相對(duì)于處理前增長(zhǎng)17%。說(shuō)明強(qiáng)夯能有效提高吹填海砂地基密實(shí)度，且強(qiáng)夯能級(jí)2 000～4 000 kN·m時(shí)，不同能級(jí)對(duì)吹填海砂地基影響較小。

3.5 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

不同強(qiáng)夯能級(jí)處理后載荷試驗(yàn)p-s曲線如圖9～11所示。

圖9 2 000 kN·m強(qiáng)夯處理后載荷試驗(yàn)曲線Fig.9 p-s curve after dynamic compaction (2 000 kN·m)

圖9～11中載荷試驗(yàn)結(jié)果表明：強(qiáng)夯能級(jí)2 000～4 000 kN·m時(shí)，在最大荷載（315 kPa）作用下，p-s曲線呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，即p-s曲線平緩無(wú)明顯陡降段，s-lgt曲線呈平行規(guī)則排列。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011），參加統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)結(jié)果，當(dāng)滿足其極差不超過(guò)平均值的30%時(shí)，取其平均值為該地層的地基承載力特征值，因此各試驗(yàn)點(diǎn)地基承載力特征值fak≥150 kPa。

圖10 3 000 kN·m強(qiáng)夯處理后載荷試驗(yàn)曲線Fig.10 p-s curve after dynamic compaction (3 000 kN·m)

圖11 4 000 kN·m強(qiáng)夯處理后載荷試驗(yàn)p-s曲線Fig.11 p-s curve after dynamic compaction (4 000 kN·m)

4 結(jié) 論

根據(jù)以上強(qiáng)夯效果評(píng)價(jià)（夯沉量、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、波速測(cè)試和承載力檢測(cè)）、場(chǎng)地適用性及施工便利性，本文對(duì)強(qiáng)夯處理吹填海砂地基的研究得到主要結(jié)論如下：

（1）有效加固深度：根據(jù)有效加固深度經(jīng)驗(yàn)公式，當(dāng)能級(jí)2 000～4 000 kN·m時(shí)，有效加固深度約5～7 m。本文試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果表明，吹填海砂地基有效加固深度可達(dá)到9～11 m，與經(jīng)驗(yàn)值存在較大的偏差。針對(duì)吹填砂地基，強(qiáng)夯對(duì)吹填海砂地基的影響分為兩個(gè)部分：a）沖擊壓縮影響，即為吹填砂表面在夯錘作用下發(fā)生塑性變形，沖擊應(yīng)力在土體內(nèi)傳播和擴(kuò)散引起顆粒相對(duì)移動(dòng)和顆粒間介質(zhì)的排出最終夯錘趨于穩(wěn)定；b）振動(dòng)液化自密實(shí)影響，即位于地下水位（本場(chǎng)地地下水位為原地面以下6 m）以下的吹填海砂在強(qiáng)夯振沖影響下發(fā)生局部液化，土體顆粒重新排列密實(shí)。

（2）強(qiáng)夯能級(jí)影響：強(qiáng)夯能級(jí)為2 000～4 000 kN·m時(shí)，平均夯沉量、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)、重型動(dòng)力觸探擊數(shù)整體上呈現(xiàn)隨著強(qiáng)夯能級(jí)增加而增大的變化趨勢(shì)，但是不同強(qiáng)夯能級(jí)差別較小。

（3）檢測(cè)方法比選：標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)和波速測(cè)試均具有檢測(cè)速度快、經(jīng)濟(jì)性高的特點(diǎn)。強(qiáng)夯處理后，由于地基密實(shí)度增加，重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)不能進(jìn)行全深度檢測(cè)（最大檢測(cè)深度約8.3 m），不能滿足吹填砂全深度檢測(cè)的要求。承載力檢測(cè)可準(zhǔn)確反映原地基強(qiáng)度，但是，承載力檢測(cè)效率低、費(fèi)用高且針對(duì)吹填砂地基強(qiáng)夯處理后很難加載至極限荷載。因此，建議后續(xù)強(qiáng)夯地基檢測(cè)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和波速測(cè)試驗(yàn)檢方法。